Флэш-часики и Календарики

 Важное место в работе Школы молодых учёных, состоявшейся в подмосковном Звенигороде осенью 2012 года, заняли обзорные тематические лекции ведущих специалистов по различным направлениям фундаментальной и прикладной физики. Большой интерес вызвало выступление директора Научного центра волоконной оптики РАН (НЦВО РАН), академика РАН, профессора Евгения Михайловича Дианова – признанного лидера в российской волоконной оптике.

Учёный рассказал о том, какие успехи и трудности предшествовали главному достижению волоконно-оптической связи в 2012 году – разработке экспериментальной системы связи с фантастической скоростью передачи информации 1 Петабит/с. Слушатели узнали, как физики и инженеры с годами пришли к такому результату, а также – что мешает передавать данные в петабитном диапазоне повсеместно.

Насыщенная история связи была представлена начиная с изобретения оптического телеграфа в 1794 году. Вспомнив великих учёных и изобретателей, заложивших основы современной связи, – Герца, Белла, Попова, Маркони и других, академик показал основные тенденции и этапы её эволюции, отметив, прежде всего, бурное развитие радиосвязи в XX веке, которому сопутствовало укорочение длин волн радиоизлучения, и как следствие – переход к оптическому диапазону.

Основное внимание Е.М. Дианов уделил базовому элементу современных систем коммуникаций – волоконным световодам, общая длина которых в волоконно-оптических системах связи сегодня составляет один миллиард километров. К 2015 году эта величина должна удвоиться. Волоконные световоды представляют собой тонкие нити из стекла, имеющие сложную структуру. В простейшем случае они состоят из сердцевины, оболочки и защитного покрытия, имеющих разные показатели преломления. В основе действия световодов – использование процессов отражения и преломления оптической волны на границе сердцевины и оболочки. Различия показателей преломления достигают легированием стекла разными элементами.

 

 Е.М. Дианов: «Первые волоконные световоды появились ещё в 1950-х годах, но из-за больших оптических потерь (1–10 дБ/м) их нельзя было использовать в протяжённых системах связи. Потребность в этих проводниках пришла в 1970-х годах. Тогда  был совершён прорыв в решении важной задачи – уменьшении оптических потерь в световодах. Чарльз Као выяснил, что потери возникают из-за высокого поглощения, источник которого – примеси в кварцевом стекле, и предсказал получение волоконных световодов с оптическими потерями ниже 20 дБ/км».

 

Это открытие, позже принёсшее Као Нобелевскую премию, дало большой импульс работам по созданию «чистых» стёкол, и уже в 1970 году в США были изготовлены первые волоконные световоды с низкими оптическими потерями (менее 20 дБ/км).  В том же году команда другого будущего Нобелевского лауреата, Ж.И. Алфёрова, в Ленинграде впервые получила непрерывную генерацию при комнатной температуре в полупроводниковых лазерах на основе гетероструктур. Она велась на длине волны 0,85 мкм, и именно в этом диапазоне работали первые коммерческие волоконно-оптические системы связи, созданные спустя 10 лет (сейчас на этой длине работают только небольшие оптоволоконные сети, в магистральных световодах используется другая «благоприятная», с точки зрения поглощения, длина волны – 1,55 мкм).

Следующим крупным достижением стало создание важного элемента оптоволоконных систем – эффективных усилителей сигнала. Они были изобретены на основе световодов, легированных ионами эрбия. Этот металл оказался единственным из редкоземельной группы, который позволил создать усилитель, работающий в спектральной области вблизи 1,55 мкм, точно совпавшей с областью минимальных потерь современных световодов. Замена использовавшихся ранее сравнительно «медленных» электронных ретрансляторов на эрбиевые усилители в конце 1990-х годов позволила довести скорость передачи информации до 40 Гбит/с и упростить схему линий связи. Так устранялись последние препятствия на пути создания высокоскоростных систем дальней связи.

Дальнейший прогресс в увеличении скорости передачи информации связан с явлением спектрального уплотнения каналов. Объясняет Е.М. Дианов: «Можно передавать информацию на одной частоте по одному световоду, а можно в него ввести сотню каналов, чуть-чуть на разных длинах волн, чтобы они друг с другом не взаимодействовали. Тогда вы увеличиваете скорость передачи информации соответственно числу каналов (но, конечно, в пределах полосы усиления этого волоконного усилителя)».

Благодаря этой разработке, скорость передачи информации по одному световоду в коммерческих системах к 2010 году составила 10 Тбит/с и продолжает расти.

 

Хотя ёмкость оптоволоконных сетей развивается в головокружительном темпе, потребность в скоростной передаче информации остаётся огромной. Мировой поток передаваемых данных в развитых странах сейчас растёт на 30...40 % в год. Это значит, что если, например, через 20 лет такой прирост сохранится, нужно будет научиться передавать информацию со скоростью порядка 100 Петабит/с. Современная волоконная техника не позволяет это делать из-за ряда ограничений: в первую очередь, допустимой мощности излучения (превышение определённого порога приводит к сильным нелинейным эффектам, преобразованию частоты за счёт нелинейности, перекрёстным помехам, а иногда – к эффекту катастрофического разрушения волоконных световодов) и узости спектрального диапазона для передачи информации, который определяется полосой усиления, в которой работает эрбиевый усилитель.

Сегодня учёные разрабатывают несколько путей для перехода к более высоким скоростям передачи данных. Прежде всего, это расширение спектрального диапазона (от 1,53–1,61 мкм в настоящее время до 1,4–1,7 мкм к 2015 году и 1,25–1,7 мкм к 2025 году), которое позволит увеличить число каналов. Главная трудность здесь – разработка подходящего усилителя. В 2001 году японские учёные нашли пригодный активный элемент для легирования кварцевого стекла – висмут, а спустя несколько лет учёные из НЦВО РАН создали волоконные световоды, лазеры и усилители на основе этого металла, показав их перспективность для расширения спектральной области передачи информации. Второй путь – это многоуровневая модуляция и различные методы мультиплексирования сигналов (объединение множества входных каналов связи в один канал связи большей емкости для передачи по единому физическому каналу, т.е. по одной физической среде) для увеличения скорости передачи в одном канале. Также можно использовать поляризационное уплотнение каналов.

Повысить скорость передачи информации позволит и другой способ – пространственное уплотнение каналов. Во-первых, речь идёт о переходе от одномодового световода к маломодовому (различаются числом мод, т.е. возможных траекторий, по которой может распространяться свет в волокне), позволяющем использовать каждую моду как носитель информации. Европейские учёные уже добились первых экспериментальных результатов в этом направлении, передав информацию по маломодовому световоду на 119 км. Во-вторых, такое уплотнение может осуществляться с помощью введения в световоды нескольких сердцевин. В 2012 году многосердцевинные световоды вместе с соответствующими усилителями также испробованы экспериментально: в рамках одного из проектов информация была передана на 6000 км со скоростью 35 Тбит/с.

Настоящим прорывом 2012 года стало создание первой системы со скоростью передачи 1 Петабит/с. Для создания экспериментальной линии были использованы сразу несколько методов: световод состоял из 12 сердцевин, в каждую из которых вводились 222 канала со скоростью передачи 456 Гбит/с. Хотя пока информацию удалось передать на небольшое расстояние (52 км) и без многосердцевинного усилителя, результат имеет грандиозное значение, так как доказана сама возможность преодоления рубежа в 1 Петабит/с.

 

Е.М. Дианов: «Это достижение важно не только технически, но и психологически. У меня нет сомнения, что в течение 10 лет будут созданы волоконно-оптические системы связи со скоростями передачи информации порядка 10–100 Петабит/с. Мир находится на пороге пета-эры».